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LIGO는 블랙홀 충돌과 같은 거대 가속 물체에 의해 생성되는 시공간의 작은 잔물결인 중력파를 측정하는 관측소입니다. 이 파동을 직접 감지한 최초의 시설로 아인슈타인의 상대성 이론을 강력하게 뒷받침했습니다. LIGO는 워싱턴과 루이지애나에 위치한 두 개의 4km 길이 레이저 간섭계를 사용하여 믿을 수 없을 정도로 작은 교란을 감지하여 과학자들에게 극한 조건에서 블랙홀, 우주론 및 물질을 연구할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다.

LIGO는 현대 과학에서 가장 신중하게 설계된 구성 요소 중 하나인 거울을 사용합니다. 각 거울은 가로 34cm, 두께 20cm, 무게 약 40kg입니다. 양성자 직경의 1/1,000보다 작은 시공간 왜곡을 탐지하려면 이러한 거울이 거의 완벽하게 고정되어 있어야 합니다. 아주 작은 진동이나 환경 소음도 LIGO가 감지하려는 희미한 중력파 신호를 감지하지 못할 수 있습니다.

물리학 및 천문학 조교수인 Richardson은 “우리 혁신의 핵심은 1 메가와트를 초과하는 레이저 출력으로 LIGO의 주 거울 표면을 정밀하게 재형성하도록 설계된 새로운 적응형 광학 장치입니다. 이는 일반적인 레이저 포인터보다 10억 배 이상 강력하고 오늘날 LIGO가 사용하는 출력의 거의 5배입니다.”라고 말했습니다. “이 기술은 중력파 천문학의 미래를 위한 새로운 길을 열어줍니다. 이는 이전보다 더 깊은 우주를 볼 수 있는 Cosmic Explorer와 같은 차세대 탐지기를 활성화하는 중요한 단계입니다.”

FROSTI: LIGO 거울을 위한 정밀 열 제어

FROnt Surface Type Irradiator의 약자인 FROSTI는 강렬한 레이저 광이 LIGO의 광학 장치를 가열할 때 생성되는 왜곡을 상쇄하도록 설계된 정밀 파면 제어 시스템입니다. 기존 시스템은 상대적으로 대략적인 수정만 할 수 있지만 FROSTI는 보다 진보된 열 투영 방법을 사용하여 거울 표면에 미세하고 고차원적인 조정을 적용합니다. 이러한 수준의 제어는 미래 감지기의 더욱 까다로운 성능 요구 사항을 충족하는 데 필수적입니다.

차가운 이름에도 불구하고 FROSTI는 매우 통제된 방식으로 거울 표면을 따뜻하게 하여 거울을 이상적인 광학적 형태로 되돌리는 방식으로 작동합니다. 시스템은 열 복사를 사용하여 세심하게 맞춤화된 열 패턴을 거울에 투사합니다. 이는 실제 중력파 신호로 오해될 수 있는 추가 노이즈를 피하면서 광학 왜곡을 완화합니다.

중력파 천문학에 더 나은 광학이 중요한 이유

중력파는 2015년 LIGO에 의해 처음 감지되어 천문학의 새로운 시대가 시작되었습니다. 그러나 우주를 관찰하는 이 새로운 방법을 완전히 활용하려면 앞으로 나올 감지기가 더 멀리 있는 사건을 보고 더 명확하게 측정해야 합니다.

Richardson은 “이는 레이저 출력과 양자 수준 정밀도 모두의 한계를 뛰어넘는 것을 의미합니다.”라고 말했습니다. “문제는 레이저 출력을 높이면 신호 선명도를 향상시키기 위해 의존하는 섬세한 양자 상태가 파괴되는 경향이 있다는 것입니다. 우리의 신기술은 메가와트 출력 수준에서도 광학 장치가 왜곡되지 않은 상태로 유지되도록 하여 이러한 긴장을 해결합니다.”

이러한 접근 방식을 통해 새로운 기술은 관측 가능한 중력파 우주를 10배로 확장할 것으로 예상됩니다. 이러한 범위의 증가를 통해 천문학자들은 우주 역사 전반에 걸쳐 수백만 개의 블랙홀과 중성자별 합병을 감지하고 전례 없는 세부 사항으로 연구할 수 있습니다.

미래 전망: LIGO A# 및 우주 탐험가

FROSTI는 Cosmic Explorer로 알려진 차세대 관측소의 테스트베드 역할을 할 계획된 업그레이드인 LIGO A#의 핵심 구성 요소가 될 것으로 예상됩니다. 현재 프로토타입은 40kg LIGO 거울에서 시연되었지만 Cosmic Explorer용으로 제안된 훨씬 더 큰 440kg 거울에도 동일한 원리를 확장하고 적용할 수 있습니다.

Richardson은 “현재 프로토타입은 시작에 불과합니다.”라고 말했습니다. “우리는 이미 훨씬 더 복잡한 광학 왜곡을 교정할 수 있는 새로운 버전을 설계하고 있습니다. 이것이 중력파 천문학의 향후 20년을 위한 R&D 기반입니다.”

Richardson은 UCR, MIT 및 Caltech의 과학자들과 공동으로 연구를 수행했습니다.

이 작업은 국립과학재단(National Science Foundation)이 Richardson에게 보조금을 지원했습니다.

이러한 재료를 개발하는 동안 팀은 미래 재료를 설계하기 위한 보다 광범위한 프레임워크도 제시했습니다. 그들의 연구 결과는 네이처커뮤니케이션즈.

“합성 중에 관상로의 대기에서 산소를 조심스럽게 제거함으로써 우리는 철과 망간이라는 두 가지 금속을 주변 대기에서 안정화되지 않는 세라믹으로 안정화했습니다”라고 Penn State의 연구 교수이자 제1저자인 Saeed Almishal이 말했습니다. 그는 재료 과학 분야의 Dorothy Pate Enright 교수인 Jon-Paul Maria와 함께 작업하고 있습니다.

조기 혁신 및 기계 학습 발견

Almishal은 J52로 명명한 구성에서 산소 수준을 조정하여 망간과 철을 함유한 물질의 안정성을 처음으로 달성했습니다. 그 샘플에는 마그네슘, 코발트, 니켈, 망간, 철이 포함되어 있었습니다. 초기 성공 이후 그는 수천 가지의 가능한 공식을 신속하게 평가할 수 있는 새로 개발된 기계 학습 기능을 사용했습니다. 이러한 도구를 사용하여 그는 HEO를 형성할 수 있는 6개의 추가 금속 조합을 식별했습니다.

샘플 처리, 제작 및 특성화를 도운 학부생 연구원과 함께 작업하면서 Almishal은 7가지 새로운 HEO 구성을 모두 나타내는 고체 세라믹 펠렛을 생산했습니다. 이 학생들은 재료 과학 및 공학부와 미국 국립 과학 재단이 자금을 지원하는 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터인 Penn State의 나노 규모 과학 센터의 지원을 받았습니다.

Almishal은 “단일 단계로 현재 프레임워크에서 가능한 7가지 구성을 모두 안정화했습니다.”라고 말했습니다. “이전에는 HEO 분야에서 복잡한 문제로 다루었지만 결국 해결책은 간단했습니다. 재료 및 세라믹 합성 과학의 기초, 특히 열역학 원리에 대한 세심한 이해를 통해 답을 찾았습니다.”

산소 수준이 재료를 형성하는 방법

이러한 세라믹을 안정화하려면 망간과 철 원자가 2+ 산화 상태를 유지해야 하며, 각 원자가 단 두 개의 산소 원자와 결합하는 암염 구조를 형성해야 합니다. Almishal에 따르면 이는 일반적인 산소가 풍부한 조건에서는 발생하지 않습니다. 정상적인 대기에서 합성되면 망간과 철은 산소와 계속 결합하여 더 높은 산화 상태로 전환되어 물질이 올바르게 형성되지 않습니다. 관상로에서 산소를 줄이면 사용 가능한 산소 원자 수가 제한되어 원하는 암염 구조가 형성될 수 있습니다.

Almishal은 “이러한 물질을 합성할 때 우리가 따른 주요 규칙은 산소가 세라믹 물질을 안정화시키는 역할을 한다는 것입니다.”라고 말했습니다.

구조 확인 및 향후 실험 계획

망간과 철이 실제로 의도한 산화 상태로 남아 있는지 확인하기 위해 Almishal은 Virginia Tech의 연구원들과 협력했습니다. 그들의 팀은 원자가 엑스레이를 흡수하는 방법을 조사하는 고급 이미징 접근 방식을 사용했습니다. 결과 데이터를 연구함으로써 그들은 개별 원소의 산화 상태를 확인하고 재료가 안정적이라는 것을 입증할 수 있었습니다.

다음 작업 단계에는 7개의 새로운 HEO 모두의 자기 특성을 테스트하는 작업이 포함됩니다. 연구원들은 또한 현재 합성하기 어려운 다른 유형의 물질을 안정화하기 위해 산소 제어에 동일한 열역학적 원리를 사용하기를 희망합니다.

“이미 온라인에서 수천 번 접속된 이 논문은 단순성 때문에 연구자들에게 반향을 불러일으키는 것 같습니다”라고 Almishal은 말했습니다. “우리는 암염 HEO에 초점을 맞추고 있지만, 우리의 방법은 미지의 유망한 화학적으로 무질서한 복합 산화물을 가능하게 하는 광범위하고 적응 가능한 프레임워크를 제공합니다.”

학부생 인정 및 연구 협력

연구실에서 중요한 공헌을 한 공저자이자 재료과학 및 공학 전공인 매튜 퍼스트(Matthew Furst)는 오하이오주 콜럼버스에서 9월 28일부터 10월 1일까지 개최된 미국 세라믹 학회(ACerS)의 2025년 재료 과학 및 기술 연례 회의에서 연구 결과를 발표하도록 초대되었습니다. 이 초대는 일반적으로 교수진이나 고위 대학원생에게까지 확대됩니다.

Furst는 “이 프로젝트에 참여하고 연구 및 출판 과정의 모든 단계에 참여할 수 있는 기회를 갖게 되어 매우 감사합니다”라고 말했습니다. “초대 강연으로 이 자료를 폭넓은 청중에게 발표할 수 있게 된 것은 제가 참여한 것과 멘토들로부터 받은 훌륭한 지도를 반영한 ​​것입니다. 이는 학부생으로서 중요한 의사소통 기술을 개발하는 데 큰 의미가 있으며 앞으로도 더욱 발전할 수 있기를 기대합니다!”

팀원 및 지원

Almishal, Maria 및 Furst 외에도 Penn State 연구팀에는 학부생 Joseph Petruska 및 Dhiya Srikanth가 포함되었습니다. 대학원생 Yueze Tan 및 Sai Venkata Gayathri Ayyagari; 최근 재료 과학에 중점을 두고 화학 박사 학위를 취득한 Jacob Sivak도 있습니다. 교수 협력자에는 재료 과학 및 공학 교수인 Nasim Alem; Susan Sinnott, 재료 과학, 공학, 화학 교수; 그리고 Long-Qing Chen, 재료 과학 및 공학의 Hamer 교수, 공학 과학 및 기계 및 수학 교수.

버지니아 공과대학의 공동 저자는 재료 과학 및 공학 조교수인 Christina Rost와 대학원생 Gerald Bejger였습니다.

미국 국립 과학 재단이 자금을 지원하는 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터인 Penn State Center for Nanoscale Science가 이 연구를 지원했습니다.

노팅엄 대학교 화학과, 워릭 대학교 및 다이아몬드 광원(Diamond Light Source)의 과학자들은 아주피렌(Azupyrene)이라는 분자를 사용하여 그래핀 유사 필름을 성장시키는 단일 단계 접근 방식을 만들었습니다. 이 분자의 모양은 연구자들이 도입하고자 하는 결함 유형과 매우 유사합니다. 그들의 연구 결과는 최근에 발표되었습니다. 화학.

결함이 그래핀을 향상시킬 수 있는 이유

노팅엄 대학교 부교수이자 이번 연구의 주요 저자 중 한 명인 David Duncan은 다음과 같이 설명합니다. “우리의 연구는 그래핀을 만드는 새로운 방법을 탐구합니다. 이 초박형, 초강력 물질은 탄소 원자로 구성됩니다. 완벽한 그래핀은 놀랍지만 때로는 너무 완벽합니다. 그래핀은 다른 물질과 약하게 상호작용하며 반도체 산업에 필요한 중요한 전자 특성이 부족합니다.

“일반적으로 재료의 결함은 성능을 저하시키는 문제나 실수로 간주되며, 우리는 의도적으로 기능성을 추가하기 위해 이를 사용했습니다. 우리는 결함으로 인해 그래핀이 다른 재료에 더 “접착성”을 갖게 되어 촉매로서 더욱 유용해질 뿐만 아니라 센서에 사용하기 위해 다양한 가스를 감지하는 능력이 향상된다는 사실을 발견했습니다. 또한 결함은 반도체 산업에서 잠재적인 응용을 위해 그래핀의 전자 및 자기 특성을 변경할 수도 있습니다.”

Azupyrene을 사용하면 결함 형성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

그래핀은 일반적으로 평평한 고리에 배열된 6개의 탄소 원자의 반복 패턴으로 구성됩니다. 이 연구에서 목표로 삼은 결함은 인접한 5개 및 7개의 원자 고리로 구성됩니다. Azupyrene은 자연적으로 이러한 유형의 불규칙한 고리 패턴을 포함하므로 이상적인 시작 분자가 됩니다. Azupyrene을 사용하여 그래핀 필름을 성장시킴으로써 팀은 이 특정 결함의 높은 농도를 달성했습니다. 성장 단계에서 온도를 조정함으로써 연구원들은 최종 재료에 얼마나 많은 결함이 나타나는지 미세 조정할 수 있었습니다.

맨체스터에 있는 그래핀 연구소(Graphene Institute)의 연구원들은 또한 생성된 그래핀이 공학적 결함을 그대로 유지하면서 다양한 표면으로 전사될 수 있음을 보여주었습니다. 이는 이러한 필름을 실제 장치에 통합하기 위한 중요한 단계입니다.

국제 협력 및 고급 도구를 통해 원자적 행동이 밝혀짐

이 프로젝트는 광범위한 고급 기술과 영국, 독일, 스웨덴의 참여 팀에 의존했습니다. 연구원들은 영국 국가 슈퍼컴퓨터 ARCHER2와 함께 옥스퍼드셔의 Diamond Light Source와 스웨덴의 MAX IV에서 고해상도 현미경 및 분광학을 사용했습니다. 이러한 도구를 통해 그들은 결함이 있는 그래핀의 원자 구조를 조사하고, 가공된 결함의 존재를 확인하고, 이것이 재료의 화학적 및 전자적 거동에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있었습니다.

워릭 대학교 화학과의 라인하르트 마우러(Reinhard Maurer) 교수는 다음과 같이 말합니다. “시작 분자와 성장 조건을 신중하게 선택함으로써 우리는 결함이 보다 제어된 방식으로 도입될 수 있는 그래핀을 성장시키는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 우리는 원자 규모 이미징, 분광학 및 컴퓨터 시뮬레이션을 결합하여 이러한 불완전성의 특징을 특성화합니다.”

Diamond Light Source의 Tien-Lin Lee 박사는 “이 연구는 국제 협력과 다양한 과학적 전문지식의 통합을 통해 무엇을 달성할 수 있는지를 보여주는 증거입니다.”라고 말했습니다. “영국, 독일, 스웨덴의 기관 전반에 걸쳐 고급 현미경, 분광학 및 전산 모델링을 결합함으로써 우리는 단일 기술이나 팀만으로는 달성할 수 없었던 그래핀 결함 형성 뒤에 있는 원자 규모 메커니즘을 밝힐 수 있었습니다.”

“대형 위성 위성부터 미래의 달 및 화성 임무에 이르기까지 우주 활동이 가속화됨에 따라 우리는 탐사가 지구에서 저지른 실수를 반복하지 않도록 해야 합니다”라고 서리 대학의 수석 저자이자 화학 엔지니어인 Jin Xuan은 말합니다. “진정으로 지속 가능한 우주 미래는 기술, 재료, 시스템이 함께 작동하는 것에서 시작됩니다.”

늘어나는 잔해와 버려진 위성 문제

환경 피해는 발사 후에도 오랫동안 계속됩니다. 대부분의 우주선과 위성은 재활용되지 않습니다. 이는 임무가 끝나면 많은 양의 재료가 영구적으로 손실된다는 것을 의미합니다. 많은 오래된 위성이 “묘지 궤도”로 이동하는 반면 다른 위성은 표류하는 궤도 잔해가 되어 활성 시스템의 작동을 방해할 수 있습니다.

저자들은 특히 민간 우주 임무의 속도가 증가함에 따라 이러한 접근 방식이 계속될 수 없다고 주장합니다. 이들은 재사용, 수리, 재활용을 염두에 두고 자재와 장비를 만드는 모델인 순환 공간 경제의 필요성을 강조합니다. 그들은 또한 개인 전자 제품 및 자동차 제조와 같은 산업이 이미 유사한 아이디어를 채택하여 상당한 성공을 거두었다고 지적합니다.

“우리의 동기는 순환성에 대한 대화를 오랫동안 지연되어 온 우주 영역으로 가져오는 것이었습니다.”라고 Xuan은 말합니다. “순환 경제 사고는 지구상의 재료와 제조를 변화시키고 있지만 위성, 로켓 또는 우주 서식지에는 거의 적용되지 않습니다.”

3R을 우주선, 위성, 우주정거장에 적용

팀에 따르면 순환 우주 경제의 기초는 3R(줄이기, 재사용, 재활용)에 있습니다. 폐기물을 줄이는 것은 더 오래 지속되고 우주에서 더 쉽게 고정될 수 있는 위성과 우주선을 만드는 것부터 시작됩니다. 그들은 또한 우주정거장을 우주선에 연료를 공급하거나, 수리를 받거나, 새로운 부품을 제조할 수 있는 다기능 센터로 전환하여 필요한 발사 횟수를 줄일 것을 제안합니다.

저자들은 재사용을 위해 우주선과 우주정거장을 지구로 안전하게 가져오려면 낙하산과 에어백과 같은 기술을 포함한 더 나은 복구 시스템이 필요하다고 덧붙였습니다. 그들은 극한의 온도와 방사선으로 인해 우주 장비가 상당한 마모를 겪기 때문에 재사용하려는 모든 부품은 엄격한 안전 점검을 통과해야 한다고 지적합니다.

궤도 잔해 회수 및 보다 안전한 우주 작전을 위한 첨단 기술 활용

연구원들은 또한 로봇 팔이나 그물을 사용하여 파편을 수집하여 재료를 재활용하는 등 궤도 잔해를 수집하기 위한 새로운 노력을 권장합니다. 이는 또한 더 많은 잔해를 생성하는 충돌을 방지하는 데 도움이 됩니다.

저자는 데이터 기반 도구가 이러한 전환에서 중요한 역할을 할 것이라고 말합니다. 우주선에서 수집된 정보는 설계 개선을 유도하고 낭비를 줄이는 데 도움이 될 수 있으며, 시뮬레이션 도구는 값비싼 물리적 테스트의 필요성을 줄일 수 있습니다. 그들은 AI 시스템이 우주선과 위성이 실시간으로 위험한 잔해를 피하는 데 도움이 될 수 있다고 덧붙였습니다.

혁신과 글로벌 협력을 통해 우주 시스템 전체를 변화시킵니다.

저자들은 순환 우주 경제가 우주 부문의 작동 방식에 큰 변화를 가져온다는 점을 강조합니다. 단일 하드웨어에 초점을 맞추는 대신 사용되는 재료부터 우주선 작동 및 퇴역 방법까지 전체 시스템을 한 번에 고려해야 합니다.

Xuan은 “궤도에서 재사용 또는 재활용할 수 있는 재료와 폐기 대신 업그레이드할 수 있는 모듈식 우주선부터 우주에서 하드웨어의 수명을 추적하는 데이터 시스템에 이르기까지 모든 수준에서 혁신이 필요합니다.”라고 말합니다.

“그러나 마찬가지로 중요한 것은 지구 너머의 재사용과 복구를 장려하기 위한 국제 협력과 정책 프레임워크가 필요하다는 것입니다. 다음 단계는 지속 가능성을 우주의 기본 모델로 전환하기 위해 화학, 디자인 및 거버넌스를 연결하는 것입니다.”

이 연구는 영국 공학 및 물리 과학 연구 위원회, Leverhulme Trust 및 Surrey-Adelaide Partnership Fund의 지원을 받았습니다.

극도로 희미하고 먼 빛을 감지할 수 있는 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 이 발견을 가능하게 했습니다. 강력한 적외선 비전을 통해 연구원 Rashi Jain과 Yogesh Wadadekar는 우주 나이가 대략 현재 나이의 10분의 1일 때 형성되었음에도 불구하고 은하수와 매우 유사한 시스템을 관찰했습니다. 그들은 은하수를 만다키니(Mandakini)와 함께 강가(Ganga)의 쌍둥이 상류 중 하나인 히말라야 강에서 영감을 받아 은하수 이름을 알라크난다(Alaknanda)라고 명명했습니다. 이 이름은 은하수를 뜻하는 힌디어 단어이기도 합니다.

이번 연구는 인도 푸네에 위치한 타타 기초연구연구소(NCRA-TIFR) 산하 국립전파천체물리센터에서 수행됐으며 그 결과는 유럽 저널에 게재됐다. 천문학 및 천체 물리학.

이 은하가 그렇게 일찍 존재해서는 안 되는 이유

천문학자들은 일반적으로 초기 은하가 구조화되고 안정적이기보다는 혼란스럽고 불규칙하게 보일 것으로 예상합니다. 두 개의 모양이 좋은 나선팔(‘대설계’ 나선은하로 알려짐)을 가진 고전적인 나선은하는 완전히 발달하려면 수십억 년이 걸릴 것으로 생각됩니다. 그러한 은하를 형성하려면 느리고 꾸준한 가스 강착, 해당 가스가 회전하는 원반에 침전되고 나선형 팔을 형성하는 밀도파의 출현이 필요합니다. 또한 시스템은 섬세한 구조를 방해하거나 파괴할 수 있는 주요 충돌을 피해야 합니다.

Alaknanda는 이 패턴에 전혀 맞지 않습니다. 그것은 이미 약 30,000 광년에 걸쳐 뻗어 있는 밝은 중앙 돌출부를 둘러싸고 있는 눈에 띄게 휘날리는 두 개의 팔을 보여줍니다. 또한 매년 약 60개의 태양에 해당하는 질량을 생성하는 놀라운 속도로 별을 형성하고 있습니다. 그 속도는 오늘날 은하수보다 약 20배 빠릅니다. 알라크난다의 별 중 대략 절반은 불과 2억년 이내에 형성된 것으로 보이며, 이는 우주 시간 규모로 볼 때 매우 빠른 속도입니다.

“Alaknanda는 우리가 수십억 년 더 오래된 은하와 연관되는 구조적 성숙도를 가지고 있습니다”라고 Rashi Jain은 말합니다. “이 시대에 이렇게 잘 조직된 나선 원반을 발견한 것은 은하 형성을 주도하는 물리적 과정(가스 강착, 원반 정착 및 나선형 밀도파의 발달)이 현재 모델이 예측하는 것보다 훨씬 더 효율적으로 작동할 수 있음을 말해줍니다. 이는 우리가 이론적 틀을 다시 생각하게 만들고 있습니다.”

중력 렌즈가 Alaknanda를 밝히는 데 어떻게 도움이 되었습니까?

Alaknanda는 Abell 2744 또는 Pandora’s Cluster로 알려진 거대한 은하단 방향으로 나타납니다. 성단의 중력은 그 뒤에 있는 은하계의 빛을 휘게 하고 증폭시킵니다. 이 효과를 중력 렌즈라고 합니다. 이러한 자연 확대로 인해 Alaknanda는 약 두 배 더 밝게 나타나 JWST는 나선형 구조를 더 명확하게 볼 수 있습니다.

은하계를 깊이 연구하기 위해 Jain과 Wadadekar는 각각 별도의 빛 조각을 포착하는 최대 21개의 서로 다른 필터를 통해 촬영한 JWST 이미지를 조사했습니다. JWST의 UNCOVER 및 MegaScience 조사의 일부인 이러한 관찰을 통해 연구원들은 은하의 거리, 포함된 먼지의 양, 형성된 별의 수, 시간이 지남에 따라 별 형성 속도가 어떻게 변했는지를 매우 정확하게 확인할 수 있었습니다.

예상보다 빠르게 성장한 우주

JWST는 이미 먼 거리에 있는 놀라울 정도로 성숙한 원반 은하 몇 개를 공개했지만, Alaknanda는 고전적인 그랜드 디자인 나선(두 개의 잘 정의된 대칭 팔을 가진 은하)의 가장 명확한 초기 사례 중 하나로 돋보입니다. 그 존재는 초기 우주가 한때 과학자들이 생각했던 것보다 훨씬 더 발전했다는 증거를 점점 더 늘려주고 있습니다.

“Alaknanda는 초기 우주가 우리가 예상했던 것보다 훨씬 더 빠른 은하 집합이 가능했음을 보여줍니다”라고 Yogesh Wadadekar는 말합니다. “어쨌든 이 은하는 태양 질량 100억 개의 별을 모아서 불과 몇 억 년 만에 아름다운 나선 원반으로 조직했습니다. 이는 우주 기준으로 볼 때 엄청나게 빠른 속도이며 천문학자들은 은하가 어떻게 형성되는지 다시 생각하게 만듭니다.”

연구자들은 이제 무엇이 알라크난다의 나선형 팔을 만들었는지 이해하고 싶어합니다. 한 가지 아이디어는 차가운 가스의 꾸준한 유입으로 인해 밀도파가 자연스럽게 팔 모양을 형성할 수 있다는 것입니다. 또 다른 가능성은 작은 동반은하가 나선 패턴을 촉발할 만큼 가까이 지나갔다는 것이다. 그러나 그러한 조수나선은 일반적으로 빠르게 사라진다. JWST의 분광 장비나 칠레의 ALMA(Atacama Large Millimeter Array)를 사용한 후속 관측을 통해 디스크가 원활하게 회전하는지(동적으로 “차가운”) 또는 난류의 징후(동적으로 “뜨거운”)를 나타내는지 여부를 밝혀 디스크 형성에 대한 단서를 제공할 수 있습니다.

이 발견이 우주 역사를 이해하는 데 의미하는 것

Alaknanda는 먼 과거의 인상적인 이미지 그 이상입니다. 그 존재로 인해 천문학자들은 별, 은하, 그리고 궁극적으로 지구와 같은 행성이 어떻게 탄생했는지를 포함하여 우주 진화의 타임라인을 재평가하게 됩니다. 은하계가 이렇게 빠르게 조직화될 수 있다면 초기 우주는 이전에 가정했던 것보다 훨씬 더 활동적이고 생산적인 환경이었으며 잠재적으로 행성계가 예상보다 일찍 나타날 수 있었습니다.

JWST가 계속해서 공간과 시간 속으로 더 깊이 들어가면서 Alaknanda와 같은 은하계가 더 많이 발견될 가능성이 높으며, 각 은하계는 초기 우주가 복잡한 구조를 얼마나 빠르게 구축했는지에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.

알라크난다의 존재는 젊은 우주가 과학자들이 믿었던 것보다 훨씬 더 일찍 안정적이고 원반 지배적인 시스템을 형성할 수 있었으며 지금까지 확인된 가장 먼 거대 설계 나선 은하 중 하나가 되었다는 사례를 강화합니다.

UC Irvine의 물리학 및 천문학 교수이자 새로운 논문의 교신 저자인 Luis A. Jauregui는 “이것은 물이 액체, 얼음 또는 증기로 존재할 수 있는 방식과 유사한 물질의 새로운 단계입니다.”라고 말했습니다. 실제 검토 편지. “이론적으로만 예측했을 뿐이고 지금까지 누구도 측정한 적이 없습니다.”

이국적인 전자 행동과 엑시톤 형성

이 단계에서는 전자와 양전하를 띤 “정공”이 함께 모여 여기자라고 알려진 특이한 구조를 생성하는 유체와 같은 혼합물을 형성합니다. 이번 발견을 특히 눈에 띄게 만드는 것은 전자와 정공이 같은 방향으로 회전한다는 것입니다. Jauregui는 “그것은 그 자체로 새로운 것입니다.”라고 말했습니다. “우리가 그것을 손에 쥐면 밝은 고주파 빛이 빛날 것입니다.”

이 현상은 이번 연구의 제1저자인 박사후 연구원 Jinyu Liu가 UC Irvine에서 제작한 자료에서 발견되었습니다. Jauregui의 그룹은 강한 자기 조건에서 물질을 연구하는 동안 뉴멕시코의 Los Alamos 국립 연구소(LANL)에서 위상을 감지했습니다.

자기장은 새로운 양자 단계를 유발합니다

이 양자 상태를 생성하려면 물질을 최대 70테슬라의 자기장에 노출시켜야 합니다(비교하면 강력한 냉장고 자석의 자기장은 약 0.1테슬라입니다). 연구팀은 이 물질을 하프늄 펜타텔루라이드(Hafnium Pentatelluride)라고 부릅니다.

자기장이 증가함에 따라 연구진은 재료의 전기 전도성이 급격히 떨어지는 것을 관찰했습니다. Jauregui는 이러한 갑작스러운 변화는 시스템이 이국적인 엑시톤 상태로 전환되었음을 의미한다고 설명했습니다. “이 발견은 신호가 전하가 아닌 스핀에 의해 전달될 수 있게 하여 스핀 기반 전자 장치 또는 양자 장치와 같은 에너지 효율적인 기술을 향한 새로운 경로를 제공할 수 있기 때문에 중요합니다.”

우주 탐사를 위한 방사선 저항 특성

새로 관찰된 이 양자 물질은 방사선의 영향을 받지 않으며, 이는 오늘날 전자 장치에 사용되는 많은 물질과 구별되는 특성입니다. 팀은 이것이 우주 응용 분야에 중요할 수 있다고 믿습니다.

Jauregui는 “우주 임무에 유용할 수 있다”고 말했습니다. “우주에서 오래 지속되는 컴퓨터를 원한다면 이것이 이를 가능하게 하는 한 가지 방법입니다.”

SpaceX와 같은 회사는 화성에 대한 미래의 인간 임무를 위해 노력하고 있으며, 장기간의 우주 비행에는 지속적인 방사선 노출을 처리할 수 있는 전자 장치가 필요합니다.

Jauregui는 “결과적으로 어떤 가능성이 열릴지는 아직 모릅니다.”라고 말했습니다.

이 물질은 대학원생인 Robert Welser와 Timothy McSorley, 그리고 학부생인 Triet Ho의 도움을 받아 Jinyu Liu가 UC Irvine의 테스트 가능한 장치에 합성, 특성화 및 통합했습니다. 이론적 모델링 및 해석은 LANL의 Shizeng Lin, Varsha Subramanyan 및 Avadh Saxena가 기여했습니다. 고자기장 실험은 LANL의 Laurel Winter와 Michael T. Pettes, 플로리다 국립 고자기장 연구소의 David Graf의 지원을 받아 수행되었습니다.

백색 왜성은 두 개의 별이 서로 공전하는 쌍성계에 자주 존재합니다. 이들 쌍의 대부분은 은하계 시간 척도에서 매우 오래되었으며 4,000도 켈빈 근처의 온도로 냉각되었습니다. 그러나 최근 관측을 통해 별들이 한 시간 이내에 궤도를 완료하는 단주기 쌍성군이 발견되었습니다. 이러한 빠르게 움직이는 쌍은 확립된 예측과 일치하지 않습니다. 많은 쌍이 예상 크기의 대략 두 배로 나타나고 온도가 10,000~30,000켈빈 사이이기 때문입니다.

조석 가열의 역할 조사

이러한 예상치 못한 행동으로 인해 교토 대학의 Lucy Olivia McNeill이 이끄는 연구팀은 이러한 시스템에서 조석력의 영향을 조사했습니다. 조수는 종종 가까운 궤도를 공유하는 물체를 왜곡하여 시간이 지남에 따라 해당 궤도가 진화하는 방식에 영향을 미칩니다.

“조석 가열은 뜨거운 목성의 온도와 호스트 별과의 궤도 특성을 설명하는 데 어느 정도 성공했습니다. 그래서 우리는 조석 가열이 단주기 쌍성에서 백색 왜성의 온도를 어느 정도 설명할 수 있는지 궁금했습니다.” 맥닐이 묻습니다.

이 질문을 탐구하기 위해 연구자들은 단주기 쌍성에서 백색 왜성이 얼마나 가열되는지 추정하기 위해 설계된 이론적 모델을 개발했습니다. 이 모델은 널리 적용 가능하도록 제작되어 이러한 시스템에서 백색왜성의 온도 이력과 미래 궤도 변화를 모두 추정할 수 있습니다.

조력이 백색 왜성 진화를 재구성하다

팀의 분석에 따르면 조석 상호 작용은 이러한 별이 어떻게 진화하는지에 중요한 역할을 할 수 있음이 나타났습니다. 특히, 더 작은 백색왜성의 중력은 더 크지만 덜 질량이 큰 동반성 내에서 내부 열을 증가시킬 수 있습니다. 이렇게 추가된 열로 인해 별이 팽창하고 표면 온도가 켈빈 10,000도 이상으로 올라갑니다.

이러한 확장으로 인해 연구자들은 백색왜성이 물질 교환을 시작하는 시점(질량 전달 단계)에서 표준 이론에 의해 예측된 크기의 두 배일 가능성이 있다고 제안합니다. 결과적으로 이러한 짧은 주기 쌍은 과학자들이 이전에 믿었던 것보다 3배 더 긴 궤도 주기에서 상호 작용을 시작할 수 있습니다.

McNeill은 “우리는 조석 가열이 이들 백색 왜성의 온도를 증가시킬 것이라고 예상했지만, 가장 오래된 백색 왜성의 궤도 주기가 로슈 돌출부가 접촉할 때 얼마나 감소하는지 보고 놀랐습니다.”라고 말했습니다.

항성 폭발과 미래 연구에 대한 시사점

극도로 좁은 궤도에 있는 백색 왜성은 결국 상호 작용하여 중력 복사를 방출합니다. 이런 종류의 시스템은 두 가지 극적이고 과학적으로 중요한 우주 사건인 Ia형 초신성과 격변 변수의 가능한 기원으로 간주됩니다.

앞으로 팀은 탄소-산소 백색 왜성으로 만들어진 이진 시스템에 모델을 적용하는 것을 목표로 하고 있습니다. 그들의 목표는 Ia형 폭발로 이어지는 잠재적 경로, 특히 현실적인 온도 예측이 이중 축퇴(병합) 시나리오를 뒷받침하는지 여부를 더 잘 이해하는 것입니다.

최초의 신뢰할 수 있는 대규모 상업용 양자 컴퓨터를 만들기 위한 경쟁이 심화됨에 따라 무시하기 어려운 중요한 문제가 생겼습니다. 이러한 장치가 기존 기계에서는 불가능하다고 생각되는 문제에 대한 답을 제공한다면 그 결과가 올바른지 누가 어떻게 확인할 수 있습니까?

Swinburne University의 최근 연구는 이러한 딜레마를 해결하기 위해 시작되었습니다.

양자 답변을 확인하기 어려운 이유

Swinburne 양자 과학 및 기술 이론 센터의 수석 저자이자 박사후 연구원인 Alexander Dellios는 “답을 얻기 위해 수백만 년, 심지어 수십억 년을 기꺼이 기다리지 않는 한 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터라도 해결할 수 없는 다양한 문제가 존재합니다.”라고 말합니다.

따라서 양자컴퓨터를 검증하기 위해서는 슈퍼컴퓨터가 동일한 작업을 수행할 때까지 수년을 기다리지 않고 이론과 결과를 비교할 수 있는 방법이 필요하다”고 말했다.

연구팀은 GBS(Gaussian Boson Sampler)로 알려진 특정 유형의 양자 장치가 정확한 결과를 생성하는지 확인하기 위한 새로운 기술을 개발했습니다. GBS 기계는 빛의 기본 입자인 광자에 의존하여 가장 빠른 클래식 슈퍼컴퓨터라도 완료하는 데 수천 년이 걸리는 확률 계산을 생성합니다.

새로운 도구로 고급 양자 실험에서 숨겨진 오류 발견

“개발된 방법을 사용하면 노트북에서 단 몇 분만에 GBS 실험이 정답을 출력하는지 여부와 오류가 있는 경우 어떤 오류가 있는지 확인할 수 있습니다.”

그들의 접근 방식을 입증하기 위해 연구자들은 현재 슈퍼컴퓨터를 사용하여 재현하는 데 최소 9,000년이 걸리는 최근 발표된 GBS 실험에 이를 적용했습니다. 그들의 분석에 따르면 결과적인 확률 분포는 의도한 목표와 일치하지 않으며 실험에서 이전에 평가되지 않은 추가 노이즈가 드러났습니다.

다음 단계는 예상치 못한 분포를 재현하는 것 자체가 계산적으로 어려운지 또는 관찰된 오류로 인해 장치의 ‘정확성’이 상실되었는지 여부를 결정하는 것입니다.

신뢰할 수 있는 상업용 양자 기계를 향한 진전

이 조사의 결과는 상업적 용도에 적합한 대규모의 오류 없는 양자 컴퓨터의 개발을 구체화할 수 있으며 Dellios가 이를 주도하는 데 도움이 되기를 희망합니다.

“대규모의 오류 없는 양자 컴퓨터를 개발하는 것은 달성된다면 약물 개발, AI, 사이버 보안과 같은 분야에 혁명을 일으키고 물리적 우주에 대한 이해를 심화시킬 수 있는 엄청난 작업입니다.

“이 작업의 핵심 구성 요소는 양자 컴퓨터를 검증하는 확장 가능한 방법으로, 이러한 시스템에 영향을 미치는 오류와 이를 수정하는 방법에 대한 이해를 높여 ‘양자성’을 유지하도록 보장합니다.”

에 발표된 연구 결과에 따르면 네이처커뮤니케이션즈연구진은 슈퍼커패시터가 기존 납축 ​​배터리와 비슷한 에너지 수준을 유지하면서 기존 배터리 설계보다 훨씬 더 빠르게 에너지를 방출할 수 있는 새로운 탄소 기반 소재를 개발했습니다.

슈퍼커패시터는 배터리에 사용되는 화학 반응 대신 정전기 전하 저장에 의존하는 에너지 저장 장치의 개발 중인 범주입니다. 오랫동안 해결해야 할 과제는 에너지 저장에 필요한 탄소 표면적 중 아주 작은 부분만 사용할 수 있다는 점이었습니다.

Carbon의 잠재력을 더 많이 활용하세요

이번 연구에는 Monash 기계항공우주공학과의 2D 재료를 이용한 첨단 제조(AM2D)를 위한 ARC 연구 허브 소장인 Mainak Majumder 교수가 참여했습니다.

Majumder 교수는 “우리 팀은 단순히 재료의 열처리 방식을 변경하여 더 많은 표면적을 확보하는 방법을 보여주었습니다.”라고 말했습니다.

“이 발견을 통해 우리는 많은 응용 분야에서 배터리를 교체하기에 충분한 에너지를 저장하고 훨씬 더 빠르게 전달할 수 있는 고속 충전 슈퍼커패시터를 구축할 수 있습니다.”

혁신적인 그래핀 아키텍처가 혁신을 주도합니다

연구진은 호주의 풍부한 자원인 천연 흑연에서 생성된 다중 규모 환원 그래핀 산화물(M-rGO)이라는 새로 설계된 재료 아키텍처에서 이러한 진전을 추적했습니다.

신속한 열 어닐링 공정을 통해 팀은 이온이 탁월한 속도와 효율성으로 이동할 수 있도록 제어된 경로를 갖춘 고도로 구부러진 그래핀 구조를 형성했습니다. 이를 통해 단일 장치에서는 거의 달성할 수 없는 높은 에너지 밀도와 높은 전력 밀도를 모두 갖춘 소재가 탄생했습니다.

실제 장치의 성능 기록

ARC AM2D Hub의 연구원이자 해당 연구의 공동 저자인 Petar Jovanović 박사는 Monash 슈퍼커패시터가 파우치 셀 장치에 통합되었을 때 다음을 입증했다고 설명했습니다.

• 최대 99.5Wh/L의 체적 에너지 밀도(이온성 액체 전해질)
• 69.2kW/L의 높은 전력 밀도
• 뛰어난 사이클 안정성을 갖춘 급속 충전 기능.

Jovanović 박사는 “이러한 성능 지표는 탄소 기반 슈퍼커패시터에 대해 보고된 것 중 가장 좋은 것 중 하나이며, 결정적으로 공정이 확장 가능하고 호주 원자재와 호환 가능하다는 것”이라고 말했습니다.

상업적 사용을 향한 움직임

Monash 대학에서 분사한 Ionic Industries의 CTO이자 이번 연구의 공동 저자인 Phillip Aitchison 박사는 이 기술을 상용화하려는 노력이 이미 진행 중이라고 언급했습니다.

Aitchison 박사는 “Ionic Industries는 이와 같은 혁신 기술을 상용화하기 위해 설립되었으며 현재 이러한 그래핀 재료를 상업적으로 대량 생산하고 있습니다.”라고 말했습니다.

“우리는 에너지 저장 파트너와 협력하여 높은 에너지와 빠른 전력 공급이 필수적인 시장 주도 응용 분야에 이러한 혁신을 가져오고 있습니다.”

이 프로젝트는 호주 연구 위원회(Australian Research Council)와 미 공군 후원 연구실(Office of Sponsored Research)의 지원을 받았으며 저탄소 에너지 미래를 위한 재료 발전이라는 Monash University의 광범위한 목표와 일치합니다.